Sistemas P.U. Sistemas P.U. E Transformadores com relação não nominal Análise Nodal. Joinville, 11 de Março de 2013

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1 Sistemas P.U. Sistemas P.U. E Transformadores com relação não nominal Análise Nodal Joinville, 11 de Março de 2013

2 Escopo dos Tópicos Abordados Sistema Por Unidade (P.U.) Transformadores com relação não nominal Análise Nodal Exercícios 2

3 Sistema PU Normalização de grandezas do sistema - Sistema p.u.: Grandezas de base: Primárias: Potência base; Tensão base; Secundárias obtidas em função das grandezas primárias: Impedância de base; Corrente de base; 3

4 Transformadores com relação não nominal Finalidade: Possibilidade de controle de tensão no sistema operação com relação de transformação fora da nominal : Taps podem ser comutáveis sob carga ou não; Por norma, as derivações são numeradas por 1, 2, 3,..., sendo que a de menor índice corresponde ao maior nível de tensão. 4

5 Transformadores com relação não nominal Exemplo para transformadores de distribuição: Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 5

6 Transformadores com relação não nominal Para transformadores alocados na transmissão, a comutação pode ocorrer sob carga. As derivações são realizadas no enrolamento de maior tensão, visando operar com menores correntes no comutador sob carga. Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 6

7 Transformadores com relação não nominal Transformadores com relação não nominal não podem ser substituídos por curto-circuitos quando representados em pu, pois: a a nom Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 7

8 Transformadores com relação não nominal em fase Modelo de transformador ideal em fase: Consiste em um transformador ideal com as perdas no núcleo desprezadas e com relação de transformação 1: a km Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 8

9 Transformadores com relação não nominal em fase Modelo de transformador ideal em fase também pode ser representado pelo modelo π: Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 9

10 Transformadores com relação não nominal em fase O valor de akm determina o valor e a natureza dos componentes do modelo π do transformador: equações: tem-se que: Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 10

11 Transformadores Se a=anom, tem-se: 11 Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner.

12 Transformadores Se a é diferente de anom: 12 Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner.

13 Dado o Sistema Elétricode Potência (SEP), transforme o sistema para valores em pu e calcule o fluxo de potência (tensões nas barras e fluxo de potência nos ramos) através de análise nodal Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 13

14 Dados do (SEP): Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 14

15 Dados do (SEP): Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 15

16 Dados do (SEP): Transformando o sistema para pu: Escolha as bases primárias: Sb=100MVA e Vb=13,8kV 138 Vb 1 = 13,8kV Vb2 = ,8 Vb = kv ,8 Vb3 = Vb2 = 230kV Vb4 = Vb3 = 13,8kV Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 16

17 Dados do (SEP): Escolha (cálculo) das bases secundárias: b1 b3 = = ( 3 ) 2 ( 3 13,8 x10 138x10 ) 100x10 ( 3 ) 2 ( ,8 10 ) 2 x x = Ω = = 1,9044Ω; 100x = 1,9044Ω; 529 ; 100x10 100x10 = 190,44Ω; 17 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. b4 b2 = 6 6 2

18 Dados do (SEP): Convertendo dados de LTs para pu: LT 23 pu LT 45 pu ( j ) 1, , j = = = 190, 44Ω 100 b2 ( j ) b3 pu; 2, , , , 662 j = = = 529Ω 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. pu 18

19 Dados do (SEP): Convertendo dados de transformadores para pu: T1pu = 6 j = 11,7 j 13, , MVA 200MVA 138 pu; 7,8 j pu; T 2 pu 19 Vb 2 = MVA 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 2 3 j = MVA =

20 Dados do (SEP): Convertendo dados de transformadores para pu: T 3 pu = 7,865 j = 7,865 j 100 V 100 b = 13,8 7, , T 3 pu 20 Vb 4 = 13,8 100MVA Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência MVA 100MVA 2 = 100MVA = j j pu; pu ou

21 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Dados do (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, logo encontra-se primeiramente as respectivas impedâncias de cada carga: ( V ) 2 * C C = Cpu = S C C b 21

22 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Dados do (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, logo encontra-se primeiramente as respectivas impedâncias de cada carga: C3 = ( 138) S * C3 2 C3 pu = C3 b2 = 229,37 + j69, pu 22

23 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, logo encontra-se primeiramente as respectivas impedâncias de cada carga: C5 = ( 230) S * C5 2 C5 pu = C5 b3 = 73,53 + j44, pu 23

24 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, logo encontra-se primeiramente as respectivas impedâncias de cada carga: C6 = ( 13,8kV ) S * C6 2 C6 pu = C6 b4 = 735,29 + j441, pu 24

25 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. (SEP) se equivalente em pu: 25

26 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. O fluxo de potência para o SEP pode ser resolvido por programas que utilizam métodos iterativos, fato que não corresponde ainda à finalidade deste exercício. Uma forma alternativa de solução é o método de análise nodal, que também é a base de programas de cálculo de fluxo de potência. 26

27 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Para o cálculo do fluxo de potência para o SEP, assume-se que o gerador mantém a tensão constante em 1,05 0 pu, injetando uma corrente I1 no sistema. Usando a forma alternativa de solução através do método de análise nodal, pode-se obter o fluxo de potência para o SEP. 27

28 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. V1=1,05 0 pu, injetando uma corrente I1 no sistema. Aplicando o método de análise nodal no SEP. Devido a existência de transformadores, usa-se o circuito em pu 28

29 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 29

30 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 30

31 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 31

32 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Solucionando o sistema de equações obtidas, chegase aos respectivos valores: 32

33 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Cálculo do Fluxo de Potência: Notação para o fluxos de potência ativa e reativa Potência ativa: seta, que indica o sentido de fluxo Potência reativa: seta cortada ao meio por um traço indica o sentido de fluxo. 33

34 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. As correntes e os fluxos de potência nos ramos podem ser calculados pela lei de Ohm e pela exporessão 34

35 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Assuma que os módulos das tensões nas barras deva permanecer entre 0,95 a 1,05pu. Com estes limites impostos, as tensões nas barras 4, 5 e 6 estão abaixo do limite especificado. 35

36 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Formas para controlar o perfil de tensão de um SEP: Aumentar a tensão de referência do gerador (já está no limite 1,05pu); Cortar carga; Inserção de bancos de capacitores; Inserção de transformador com tap variável 36

37 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Solução para a próxima aula: Inserção de transformador com tap variável entre as barras 3 e 4. 37

38 Sistemas P.U. Sistemas P.U. E Transformadores com relação não nominal Análise Nodal Joinville, 14 de Março de 2013

39 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Solução adotada para controlar o perfil de tensão do SEP: Inserção de transformador com tap variável entre as barras 3 e 4. 39

40 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Assuma o transformador entre as barras 3 e 4 seja de tap variável. Seu tap será aumentado para posição máxima (10%) no enrolamento de 230kV a fim de aumentar os módulos das tensões nas barras 4, 5 e 6. 40

41 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Com a alteração no tap do transformador situado entre as barras 3 e 4, ocorrerão mudanças em algumas tensões de base do sistema, acarretando em alterações em impedâncias. 41

42 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Relações de tensão e impedância em um transformador com tap nominal. 42

43 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Para um transformador com tap na posição p, fora da nominal. 43

44 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Alterando o tap do transformador para a posição máxima no enrolamento de 230kV, altera-se a tensão base de 230kV para 230*1,1 = 253kV Novos cálculos são necessários. 44

45 Dados do (SEP): Transformando o sistema para pu: Escolha as bases primárias: Sb=100MVA e Vb=13,8kV 138 Vb 1 = 13,8kV Vb2 = Vb 1 = 138kV 13,8 p 230*1,1 p 13,8 p Vb3 = Vb2 = 253kV Vb4 = Vb3 = 13,8*1,1 = 15,18kV Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 45

46 Dados do (SEP): Escolha (cálculo) das bases secundárias: ( 3) ( 3 13,8x10 138x10 ) ( 3 230x1,1 x10 ) ( 3 13,8x1,1 x10 ) 2 2 = = 1,9044 Ω ; = = 190, 44 Ω; 100x10 100x10 b1 6 b2 6 p b3 6 p b x1,1 640, 09 ; = = = Ω 100x10 2 1,9044x1,1 2,3043 ; = = = Ω 100x10 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 46

47 Dados do (SEP): Convertendo dados de LTs para pu: LT 23 pu ( j ) 1, , j = = = 190,44Ω 100 b2 ( j ) p LT 45 pu p 2 b3 x pu; 2, , , 4 + 2, 2 j = = = 529 1,1 Ω 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. pu 47

48 Dados do (SEP): Convertendo dados de transformadores para pu: T1pu = 6 j = 11,7 j 13, , MVA 200MVA 138 pu; 7,8 j pu; T 2 pu 48 Vb 2 = MVA 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. 2 3 j = MVA =

49 Dados do (SEP): Convertendo dados de transformadores para pu: 2 2 p MVA 7,865 j 6,5 j T3 pu= 7,865 j 100 ; p = = pu ou 2 Vb 3 = 230X1,1 100MVA 100x1, ,8 100MVA 7,865 j 6,5 j = 7,865 j 100 = = pu p T3 pu p 2 49 Vb 4 = 13,8x1,1 100MVA 100x1,1 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência.

50 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Dados do (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, logo encontra-se primeiramente as respectivas impedâncias de cada carga e em seguida o valor em pu: ( V ) 2 * C C = Cpu = S C C b 50

51 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Dados do (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante, a impedância da carga 3 não muda nem mesmo em pu: C3 = ( 138) S * C3 2 C3 pu = C3 b2 = 229,37 + j69, pu 51

52 (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante (não muda com a tensão!), encontra-se primeiramente a impedância da carga e em seguida o valor em pu (que é alterado devido a nova impedância base que muda com a nova tensão base): 73,53 + j44, , 77 + j36, 46 ( ) 2 5 p C5 C pu C5 = * C5pu = = = = p SC5 b3 1,1 1,1 100 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. pu

53 (SEP): Convertendo dados de cargas para pu: constante (não muda com a tensão!), encontra-se primeiramente a impedância da carga e em seguida o valor em pu (que é alterado devido a nova impedância base que muda com a nova tensão base): ( ) 2 735, 29 + j441,18 13,8kV p C6 C6 pu , 68 + j364, 63 C6 = * C6pu = = = = pu p 2 2 S 1,1 1, C6 b4 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência.

54 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. (SEP) equivalente em pu com influência do tap no secundário do transformador de 230kV da barra 4: 54

55 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 55

56 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 56

57 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Equações obtidas via análise nodal no SEP. 57

58 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Solucionando o sistema de equações obtidas, chegase aos respectivos valores: 58

59 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Cálculo do Fluxo de Potência: Notação para o fluxos de potência ativa e reativa Potência ativa: seta, que indica o sentido de fluxo Potência reativa: seta cortada ao meio por um traço indica o sentido de fluxo. 59

60 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. As correntes e os fluxos de potência nos ramos podem ser calculados pela lei de Ohm e pela exporessão 60

61 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Como assumido que os módulos das tensões nas barras devem permanecer entre 0,95 a 1,05pu., aparentemente os resultados impostos pela mudança de tap, resultou em tensões nas barras 4, 5 e 6 ainda mais baixas que no caso anterior. Cuidado, pois a base de tensão agora é outra V ,8x1,1 kv = 0,878 = 0,966 pu 13,8kV 61

62 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Desta forma, a alteração do tap do transformador aumentou o perfil de tensão das barras 4, 5 e 6, fazendo com que as tensões nas mesmas tivessem seus módulos de tensão entre 0,95 a 1,05pu. V ,8x1,1 kv = 0,878 = 0,966 pu 13,8kV 62

63 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Comentários: a alteração do tap do transformador aumentou o perfil de tensão nas barras 4, 5 e 6, porém reduziu as tensões nas barras 2 e 3 do sistema. Tal fato pode ser visualizado nas figuras pré e pós alteração do tap. 63

64 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Sistema sem alteração do tap do transformador Sistema com alteração do tap do transformador 64

65 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. A tensão da barra 1 não foi alterada, pois ela opera como uma fonte controlada (pela tensão de referência do sistema de excitação). Lembre-se do efeito do tap no circuito equivalente π do transformador explica o aumento de tensão nas barras 4, 5 e 6 e redução da mesmas nas barras 2 e 3. 65

66 Transformadores com relação não nominal em fase O valor de akm determina o valor e a natureza dos componentes do modelo π do transformador: equações: tem-se que: Material aproveitado da apostila do Prof. Sérgio Haffner. 66

67 Material aproveitado do Livro do Prof. Cláudio Ferreira Redes Lineares em Sistemas Elétricos de Potência. Exercício: Assuma que existe um capacitor manobrável que pode ser conectado ou não à barra 5 do SEP original (com tap nominal). Dado que a potência deste banco de capacitores é de 70 MVAr (assuma que ele seja uma carga do tipo constante), pede-se: Converta o sistema para pu, nas bases originais de 100MVA e 13,8kV; Calcule as tensões nas barras e o fluxo de potência, indicando o sentido de cada fluxo; Verifique se as tensões estão na faixa de 0,95 a 1, 05pu. 67

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